Исследователи Балтийского федерального университета имени И. Канта совместно с коллегами из Института геологии и минералогии имени В.С. Соболева СО РАН и экспертами ООО «ВЕЛМАН» провели исследование влияния дефектов кристаллической структуры алмаза на прохождение рентгеновского излучения. Работа стала первым этапом исследования возможности использования дефектов для управления дифракционными потерями — одним из факторов, ограничивающих эффективность рентгеновской оптики.
Современные синхротроны и лазеры на свободных электронах позволяют исследовать материалы на атомном уровне. Для работы с рентгеновским излучением на таких установках необходимы специальные оптические элементы, которые направляют и фокусируют пучки с высокой точностью. Перспективным материалом для их изготовления является алмаз: он слабо поглощает рентгеновское излучение, обладает высокой теплопроводностью, а также устойчив к высоким тепловым и радиационным нагрузкам.
Однако при прохождении излучения через монокристалл алмаза возникает брэгговская дифракция на атомных плоскостях, вызывающая локальные провалы интенсивности в прошедшем пучке — так называемые рентгеновские глитчи. Такие потери необходимо учитывать при разработке оптических элементов для синхротронных установок.
Авторы изучили возможность управления характером данных потерь путем изменения дефектной структуры кристалла. Дефекты и локальные искажения кристаллической решетки способны влиять на ширину и форму дифракционного отклика. Ученые исследовали, можно ли распределить потери по более широкому угловому диапазону, чтобы уменьшить максимальное локальное снижение интенсивности прошедшего пучка.
Чтобы проверить эту возможность, ученые провели исследование четырех пластин монокристаллического алмаза, выращенного методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). С помощью лабораторного рентгенооптического комплекса SyncrhotronLike были получены изображения внутренней структуры кристаллов и измерены потери интенсивности прошедшего излучения при различных углах падения.
Эксперименты показали, что ширина наблюдаемых глитчей в исследованных образцах в 2–5 раз превышала расчетные значения для идеального кристалла. Максимальное локальное снижение интенсивности в использованном полихроматическом пучке составило 4,8 %. Кроме того, пластины оказались однородными на просвет в рентгеновском излучении, что является важным условием для создания рентгеновских окон и линз.
«Полученные результаты позволяют перейти от изучения влияния дефектов на дифракцию к исследованию их возможного практического применения. Следующий этап работы — установить, как плотность и пространственное распределение дефектов влияют на величину локальных потерь и можно ли целенаправленно уменьшить их максимальное значение без увеличения суммарных потерь и ухудшения оптических характеристик алмаза», — рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок “Мегасайенс”» БФУ им. И. Канта Александр Баранников.
Исследование закладывает основу для нового направления в разработке рентгеновской оптики, в котором дефектная структура кристалла рассматривается не только как характеристика качества материала, но и как потенциальный инструмент управления его дифракционными свойствами.
